專利名稱：磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人技術，特別涉及一種利用磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人。
背景技術：
現(xiàn)在的許多技術領域，如生物工程、微外科手術、掃描探針顯微鏡、光纖對接、微細加工等精細操作對操作者的操作要求較高；比如生物工程領域中的克隆操作，要求操作者能夠取出細胞內(nèi)的細胞核，在進行操作的過程中由于操作者不能完成精確的操作，因此造成現(xiàn)在的克隆技術的可靠性不高；采用微操作機器人能夠大大提高操作的精度，保證操作的可靠性，其他形式的微細操作與生物工程領域中的克隆操作技術要求相接近，因此這些領域迫切要求提供定位精度和重復精度高的微動高精度機器人。
傳統(tǒng)的微動機器人驅(qū)動方式是采用伺服電機作為驅(qū)動器，通過傳動機構將伺服電機的運動傳遞到機器人的末端；由于機械結構在運動傳遞過程中存在摩擦滯后、機構間隙等因素，采用這種驅(qū)動方式要實現(xiàn)高精度、高速度的定位作業(yè)及微力控制極其困難，且難以實現(xiàn)機器人的小型化。近年來有不少報道是不需要運動傳遞的直接驅(qū)動的機器人，例如采用直接驅(qū)動電機、形狀記憶合金和壓電陶瓷作為驅(qū)動器等。利用形狀記憶合金作為機器人驅(qū)動器的研究是20世紀80年代初由日本開始的，目前國內(nèi)外在這方面均取得了不少研究成果，日本學者Ikada曾成功地將形狀記憶合金應用于小型抓取機構(Gripper)，本實用新型人也曾對形狀記憶合金驅(qū)動器和形狀記憶合金驅(qū)動的機器人進行了研究，發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金存在容易受環(huán)境影響(特別是溫度的變化和工作介質(zhì)的不同)和冷卻速度慢的缺點，同時也難以達到較高的精度，因此在很大程度上限制了其在微動機器人上的應用；特別是如果用形狀記憶合金作為機器人驅(qū)動器，機器人仍然需要由多關節(jié)構成，機器人的定位精度和重復精度將在很大程度上受到限制。壓電陶瓷驅(qū)動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應制成的驅(qū)動器，它具有位移控制精度高、響應速度快、無傳動嚙合間隙、出力大等優(yōu)點。目前有不少利用壓電陶瓷作為驅(qū)動器的報道，例如日本學者Y.Suzuki，K.Tani和T.Sakuhara研究了一種壓電陶瓷驅(qū)動的微型驅(qū)動器，該驅(qū)動器直徑為2mm，高0.49mm；將壓電陶瓷用于機器人運動驅(qū)動的有哈爾濱工業(yè)大學的孫立寧等學者研制出了壓電陶瓷驅(qū)動的6自由度并聯(lián)微動機器人，這種機器人能夠達到亞微米級的精度；但壓電陶瓷作為驅(qū)動器仍有其技術困難，主要是所要求的電場電壓較高，回零特性差，電場下的應變量很小，驅(qū)動器的位移量較小；若采用多層壓電陶瓷驅(qū)動器，雖可解決位移量小的問題，但由于內(nèi)電極與陶瓷片、陶瓷片與陶瓷片之間的粘結以及電極的穩(wěn)定性問題尚未解決，使得它們之間可能因連結不好而發(fā)生脫層，從而限制了陶瓷片的疊加層數(shù)(一般為100層或20mm厚)，而且位移量一般小于15～50μm，尤其是使用這種驅(qū)動器的機器人仍然采用了空間連桿機構，仍無法避免機械零件的制造精度和機構裝配精度對機器人本身精度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種利用磁力作為驅(qū)動力，避免由于機械零件加工和裝配過程中各種原因而造成誤差，從而能夠?qū)崿F(xiàn)機器人操作達到較高的定位精度和重復精度的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人。
本實用新型的技術目的通過下述技術方案實現(xiàn)本磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人的操作臂上分別固定連接有三塊支撐板，即水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板，每塊板的兩端分別設置永磁鐵，與永磁鐵相對設置有電磁鐵，在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝位移傳感器。
所述水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板的兩端的兩側分別固定有1個永磁鐵，與每個永磁鐵相對設置有固定不動的電磁鐵，亦即每塊支撐板相對設置有4個電磁鐵，整個機器人設置有12個電磁鐵。
所述電磁鐵與控制微機通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出及放大模塊以及16通道16位的數(shù)模轉換卡(D/A轉換卡)相連接；控制微機同時通過16通道16位的模數(shù)轉換卡(A/D轉換卡)與位移傳感器相連接。
所述電磁鐵與永磁鐵的距離最大為5mm，最小為3mm，因此支撐板在電磁鐵處的行程為±1mm。
所述永磁鐵形狀為園柱形，用銣鐵硼材料制成。
在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個電容式位移傳感器，整個機器人安裝有6個位移傳感器。
所述位移傳感器為納米級精密電容位移傳感器；如果本實用新型所采用的位移傳感器的精度達到納米級精度，那么微動機器人的精度也能夠控制在納米級。
上述微動高精度機器人的驅(qū)動方法是通過磁力來驅(qū)動機器人運動。
所述磁力驅(qū)動機器人運動具體方式是通過控制電磁鐵產(chǎn)生的磁力使機器人實現(xiàn)上、下、前、后、左、右的平移運動和繞x、y和z軸的轉動。
本實用新型的作用原理是本磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人位移是利用電磁鐵所產(chǎn)生的磁力合力來實現(xiàn)的，例如當需要機器人操作臂向右移動時，就需要增加垂直支撐板左側的兩個電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力加大，同時減小右側電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力合力不為零，驅(qū)動機器人操作臂向右運動，當機器人到達新的位置，電磁鐵的磁力產(chǎn)生變化，直到左右兩側的電磁鐵合力變?yōu)榱?，機器人操作臂在新的位置產(chǎn)生平衡，通過這種方式，機器人操作臂就能夠?qū)崿F(xiàn)平移運動；當需要機器人操作臂道繞x軸轉動時，就需要增加垂直支撐板上端左側和下端右側的兩個電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力加大，同時減小上端右側和下端左側電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力合力不為零，驅(qū)動垂直支撐板上端向右運動，同時下端向左運動，即相當于機器人操作臂繞x軸轉動一個微小的角度；當機器人到達新的位置，電磁鐵的磁力產(chǎn)生變化，直到左右兩側的電磁鐵合力變?yōu)榱悖瑱C器人操作臂在新的位置產(chǎn)生平衡，通過這種方式，機器人操作臂就能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉運動。
本實用新型相對于現(xiàn)在技術具有如下的優(yōu)點及效果(1)與其它驅(qū)動方式相比較，磁力驅(qū)動具有無摩擦、無潤滑、高速和高加速度的優(yōu)點。
(2)機器人的操作臂只有一個連桿，而不是傳統(tǒng)機器人所采用的多連桿多關節(jié)結構，因此操作臂不再需要任何關節(jié)連接就能夠?qū)崿F(xiàn)6個自由度的運動，這種無關節(jié)結構能夠避免各關節(jié)之間因制造和裝配等誤差而造成的機器人定位精度和重復精度有限的問題。
(3)機器人不再需要傳統(tǒng)的電機和減速器等傳動機構，避免了因傳動鏈的誤差而使機器人的定位精度和重復精度降低。
(4)本實用新型的控制系統(tǒng)的結構簡單、尺寸??；由于系統(tǒng)不再需要電機和減速器，因此能夠極大地簡化結構，使得機器人尺寸明顯減少。


圖1是本實用新型微動高精度機器人的結構示意圖。
圖2是圖1所示微動高精度機器人的左視圖。
圖3是圖1所示微動高精度機器人的控制系統(tǒng)結構示意圖。
圖4是圖3所示的微動高精度機器人的觸摸屏的顯示窗口。
圖5是圖3所示的微動高精度機器人的PWM輸出及放大模塊的電路圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
實施例圖1及圖2示出了本實用新型的一種實施方式，由圖1及圖2可見，本磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人的操作臂10上分別固定連接有三塊支撐板，即水平支撐板1、垂直支撐板7和側向支撐板4，每塊板的兩端的兩側分別固定有1個園柱形的、用銣鐵硼材料制成的永磁鐵3，與每個永磁鐵3相對設置有固定不動的電磁鐵2，亦即每塊支撐板相對設置有4個電磁鐵2，整個機器人設置有12個電磁鐵2，電磁鐵與永磁鐵的距離最大為5mm，最小為3mm，因此支撐板在電磁鐵處的行程為±1mm；每個電磁鐵包括電磁鐵芯5及電磁鐵線圈6，電磁鐵線圈6環(huán)繞在電磁鐵芯5外；在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個位移傳感器，整個機器人安裝有6個位移傳感器，所述位移傳感器包括固定在支撐板上的前置器8及精密電容式位移傳感器9，前置器8與位移傳感器9相對設置。位移傳感器9采用德國米銥測試技術公司生產(chǎn)的納米級精密電容位移傳感器S600-1，分辨率為40納米，機器人的位移精度可以達到60納米。
微動高精度機器人的控制系統(tǒng)如圖3所示，所述電磁鐵與控制計算機通過PWM輸出及放大模塊以及16通道16位D/A轉換卡相連接；控制計算機同時通過16通道16位的A/D轉換卡與位移傳感器相連接，輸入觸摸屏同時與控制計算機相連接。其控制原理是位移傳感器檢測到各支撐板的位移量，通過A/D轉換卡將位移傳感器對位移量檢測的電壓模擬信號轉換成數(shù)字信號，利用控制計算機進行運算處理，就可以知道機器人在不同的方向上的位移量；控制計算機將機器人操作臂的目標位置和實際位置進行比較，將這一差值乘以加權值，通過D/A轉換卡將這一輸出值轉換成模擬量，利用PWM電路將模擬量轉換成脈沖信號，再將脈沖信號進行放大后驅(qū)動電磁鐵，以實現(xiàn)電磁鐵的位移。機器人的運動操作通過觸摸屏進行，機器人的操作程序是在觸摸屏上配置各個自由度運動的窗口，以控制操作臂的運動，觸摸屏的顯示窗口如圖4所示，用手指按壓觸摸屏上相對應的鍵，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)上、下、前、后、左、右的平移運動和繞x、y和z軸的轉動。
圖5示出了微動高精度機器人控制系統(tǒng)其中1路PWM輸出及放大電路，其他12路PWM輸出及放大電路與圖5所示相同，由圖5可見，本PWM輸出及放大電路使用SG3524進行PWM調(diào)制和輸出，D/A轉換卡將數(shù)字信號轉換成模擬信號后的模擬信號連接到SG3524的管腳2，通過調(diào)整電阻RP165的阻值可以調(diào)整PWM的振蕩頻率，管腳12和13為經(jīng)過脈寬調(diào)制的輸出信號，即輸出的信號為脈沖信號，信號的占空比與輸入的模擬信號的電壓成正比。通過MOS管IRF540進行放大后，輸出到電磁鐵，電磁鐵兩端連線連接到插口J2上。
本實用新型所述的各構件可選型如下計算機IBM/PC兼容機，PCI總線；操作系統(tǒng)Windows 98以上版本；主機速度為200MHz以上；電磁鐵直流24V，鐵芯是圓柱的牽引電磁鐵；支撐板和操作臂材料1.5～2.5mm厚不銹鋼板(或鋁板)，寬25mm；螺釘材料不銹鋼；永磁鐵銣鐵硼粉末燒結的永磁鐵材料，直徑為φ30，厚5mm；A/D轉換卡(模數(shù)轉換卡)臺灣研華公司生產(chǎn)的PCI-1731；D/A轉換卡(數(shù)模轉換卡)臺灣凌華公司生產(chǎn)的PCI-6216V；觸摸屏常用普通觸摸屏。
權利要求1.一種磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于其操作臂上分別固定連接有水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板，每塊板的兩端分別設置永磁鐵，與永磁鐵相對設置有電磁鐵，在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝位移傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于所述水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板的兩端的兩側分別固定有1個永磁鐵，與每個永磁鐵相對設置有固定不動的電磁鐵。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于所述電磁鐵與控制微機通過脈沖寬度調(diào)制輸出及放大模塊以及16通道16位的模數(shù)轉換卡相連接；控制微機同時通過16通道16位的模數(shù)轉換卡與位移傳感器相連接。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于微動機器人操作臂的位移量為±1mm。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于所述永磁鐵形狀為園柱形，用銣鐵硼材料制成。
6.根據(jù)權利要求1所述的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個位移傳感器，整個機器人安裝有6個位移傳感器。
7.根據(jù)權利要求6所述的磁力驅(qū)動的無關節(jié)微動高精度機器人，其特征在于所述位移傳感器為納米級精密電容位移傳感器。
專利摘要本實用新型提供一種無關節(jié)微動高精度機器人，其操作臂上分別固定連接有水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板，每塊板的兩端分別設置永磁鐵，與永磁鐵相對設置有電磁鐵，在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝位移傳感器；一種無關節(jié)微動高精度機器人的驅(qū)動方法，主要是通過磁力來驅(qū)動機器人運動。本實用新型與其它機器人驅(qū)動方式相比具有無摩擦、無潤滑、高速和高加速度的優(yōu)點；本微動高精度機器人不再需要任何關節(jié)連接就能夠?qū)崿F(xiàn)6個自由度的運動，避免了機器人定位精度和重復精度有限的問題，克服了因傳動鏈的誤差而使機器人的定位精度和重復精度降低的缺點，結構大為簡化，整體尺寸明顯減少，機器人的定位精度和重復精度能夠達到納米級。
文檔編號B25J11/00GK2688462SQ03224238
公開日2005年3月30日 申請日期2003年3月14日 優(yōu)先權日2003年3月14日
發(fā)明者張鐵, 邵明 申請人:華南理工大學